冷卻塔風(fēng)機(jī)控制電路節(jié)能改造方案

唐衛(wèi)紅 許小玲（青海油田公司培訓(xùn)中心）

青海油田格爾木煉油廠(chǎng)經(jīng)歷了三十年的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量不斷升級(jí)、生產(chǎn)控制技術(shù)不斷提高、經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)大幅度改善，為青藏兩省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)[1-2]?，F(xiàn)在，格煉有150×104t/a常減壓裝置、90×104t/a催化裂化裝置、80×104t/a加氫改質(zhì)裝置、30×104t/a重整裝置、30×104t/a與10×104t/a甲醇裝置、2×104t/a聚丙烯等22套裝置，這些裝置都離不開(kāi)水冷器。循環(huán)冷卻水經(jīng)過(guò)換熱后（帶走煉油化工裝置產(chǎn)生大量的無(wú)效低溫?zé)幔┳兂裳h(huán)熱水。循環(huán)熱水通過(guò)冷卻塔降溫處理變成循環(huán)冷水后，再輸送到各煉油化工裝置水冷器，保證各裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。循環(huán)水冷卻裝置中冷卻塔風(fēng)機(jī)是最重要的電氣設(shè)備[3-5]。煉油化工裝置換熱后產(chǎn)生的循環(huán)熱水通過(guò)管網(wǎng)送到冷卻塔頂部自由散落下來(lái)，形成一股股熱水蒸汽，冷卻塔的三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的風(fēng)力，將熱氣排出、強(qiáng)力冷風(fēng)冷卻熱水從而達(dá)到降溫的效果[6-10]。

1 改造前的狀況

1.1 設(shè)備運(yùn)行基本情況

格爾木煉油廠(chǎng)有3套循環(huán)水冷卻裝置，分別是10×104t/a甲醇循環(huán)水、30×104t/a甲醇循環(huán)水、304循環(huán)水單元。具體電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電氣運(yùn)行參數(shù)

其中配備的三相異步電動(dòng)機(jī)90kW與75kW為直接啟動(dòng)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行；45kW電動(dòng)機(jī)為直接啟動(dòng)方式運(yùn)行，都配有電動(dòng)機(jī)保護(hù)管理器。

冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止需要到冷卻塔上由操作工在操作柱上按下“啟動(dòng)”按鈕或“停止”按鈕、觀(guān)看操作柱上的電流表指示、觀(guān)察操作柱上的紅色與綠色指示燈表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)。

10×104t/a甲醇與30×104t/a甲醇、90kW與75kW正反轉(zhuǎn)三相異步電動(dòng)機(jī)控制原理見(jiàn)圖1。304單元循環(huán)水裝置45kW電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)控制原理見(jiàn)圖2。

圖1 正反轉(zhuǎn)控制原理圖

圖2 直接啟動(dòng)控制原理圖

1.2 兩種冷卻塔風(fēng)機(jī)電路存在的安全隱患

1.2.1 短路故障

冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)操作柱上有電流表、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、紅色指示燈、綠色指示燈，通過(guò)控制電纜從變電所引入交流220V電源到操作柱，被冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行排出的水蒸氣圍繞，操作柱采用橡膠墊圈密封，青海油田格爾木煉油廠(chǎng)在海拔2800m的高原，早晚溫差大、紫外線(xiàn)強(qiáng)、導(dǎo)致橡膠密封墊圈老化、破裂；在水汽濕度重的環(huán)境中，造成操作柱進(jìn)水，控制電纜受潮、發(fā)生電氣線(xiàn)路短路、接地、漏電等故障；使冷卻塔風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，控制電纜的電壓為220VAC在防腐PVC操作柱受潮時(shí)容易發(fā)生漏電，使操作人員與檢修人員發(fā)生電擊危險(xiǎn)。電氣檢修人員在維護(hù)中需要將操作柱水汽烘干、或晾干、經(jīng)過(guò)絕緣檢測(cè)合格后才能進(jìn)行再次投入運(yùn)行，造成冷卻風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水不能降至工藝要求的溫度值，使煉油化工裝置不能平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2.2 檢修困難

由于冷卻塔風(fēng)機(jī)采用正反轉(zhuǎn)控制電路直接啟動(dòng)電路，風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流是5～7倍電動(dòng)機(jī)的額定電流，90kW的電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，拉低電網(wǎng)的電壓影響到其他電氣設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流大造成配電柜線(xiàn)路與交流接觸器觸頭發(fā)熱故障多、檢修困難，更換電氣元件成本高，影響到裝置安全運(yùn)行。

1.2.3 維修成本高

冷卻塔風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，一直采用工頻50Hz高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，沒(méi)有充分利用青海格爾木海拔在2800m高原的氣候特點(diǎn)，在白天與夜晚溫差大，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)約電能；由于冷卻塔風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在50Hz高速運(yùn)轉(zhuǎn)中對(duì)減速箱、電動(dòng)機(jī)軸承磨損嚴(yán)重，電能消耗大。

2 采用觸摸屏控制冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)集中控制的改造方案

2.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)集中控制的工作原理

觸摸屏控制冷卻塔風(fēng)機(jī)電路中采用適用型控制器，具有較大的存儲(chǔ)運(yùn)算能力，有兩個(gè)RS485通訊端口，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)端口與觸摸屏進(jìn)行連接，另外一個(gè)端口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接器，引出兩根PROFIBUS數(shù)據(jù)通訊線(xiàn)去分別連接兩臺(tái)四方變頻器。通過(guò)在四方變頻器內(nèi)置參數(shù)設(shè)置為通訊控制方式，設(shè)置波特率9600、偶校驗(yàn)位、通訊站號(hào)數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。兩臺(tái)冷卻塔電動(dòng)機(jī)以觸摸屏控制電氣原理見(jiàn)3。

圖3 兩臺(tái)冷卻塔電動(dòng)機(jī)以觸摸屏控制電氣原理

2.2 改造后電路具備的特點(diǎn)

2.2.1 變頻器采用最先進(jìn)的調(diào)速方式

1）變頻調(diào)速的節(jié)能：采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)節(jié)電率可達(dá)到20%～60%，風(fēng)機(jī)的耗用功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶(hù)需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果越可觀(guān)。

2）軟啟動(dòng)功能：采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下啟動(dòng)，電流平滑無(wú)沖擊，減少了啟動(dòng)電流對(duì)馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的壽命。

3）減少無(wú)功功率：變頻器調(diào)節(jié)后由于變頻器內(nèi)濾波電容的使用，使得功率因數(shù)接近1，增大了電網(wǎng)的有功功率。從而節(jié)省了無(wú)功功率消耗的能量。

4）控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單：變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，無(wú)極調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)。

2.2.2 采用觸摸屏人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)集中控制

改造電路中還采用觸摸屏人機(jī)界面HIM，可以實(shí)現(xiàn)承以下功能：過(guò)程的可視化，在觸摸屏畫(huà)面上能動(dòng)態(tài)的顯示出過(guò)程數(shù)據(jù)如冷卻塔水溫、變頻器的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)；操作人員可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，通過(guò)觸摸按鍵輕松實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止的控制；顯示報(bào)警功能，對(duì)于PLC采集到的變頻器報(bào)警信號(hào)可以及時(shí)發(fā)送到觸摸屏界面。

2.2.3 用先進(jìn)的編程軟件，簡(jiǎn)化電路

改造電路采用STEP7-MICRO-WINSP9編程軟件，針對(duì)小型S7-200PLC224XP可編程程序控制器進(jìn)行編程。充分利用MODBUS通訊協(xié)議在工業(yè)控制中是一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器高效通訊。這里運(yùn)用MODBUSRTU主站協(xié)議，MBUSCTRL指令用于初化、監(jiān)視或禁用MODBUS通信。MBUS-MSG指令用于向MODBUS從站發(fā)送請(qǐng)求消息，以及處理從站返回的響應(yīng)消息，采用輪詢(xún)方式編程。SMATLINE1000的10寸觸摸屏采用組態(tài)軟件WINCCFLEXIBLE具有簡(jiǎn)單、高效、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用winCCflexible軟件選擇觸摸屏型號(hào)，進(jìn)行組態(tài)的連接，進(jìn)行變量的組態(tài)、在工作區(qū)作出畫(huà)面的生成與組態(tài)，下載到觸摸屏中應(yīng)用；該觸摸屏控制冷卻塔風(fēng)機(jī)具有安全性。

2.3 電路改造后實(shí)現(xiàn)的功能

2.3.1 設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性

在冷卻塔操作過(guò)道的中間位置安裝一個(gè)防腐、密封觸摸屏操控箱，由于觸摸屏使用的是24DC直流電路，對(duì)操作人員可以避免電擊的危險(xiǎn)。觸摸屏具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，故障發(fā)生率低，避免電路發(fā)生短路的故障，造成了冷卻塔風(fēng)機(jī)的停機(jī)。

2.3.2 節(jié)約材料成本

采用觸摸屏控制冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的機(jī)群控制，這樣可以省去現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的操作柱，包括電流表計(jì)、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、紅綠指示燈，幾十米的8芯控制電纜的使用。減少維修工作量，節(jié)約了材料費(fèi)用。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益

由于采用變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID的閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以減少人工的調(diào)節(jié)，在比例積分項(xiàng)上可以將值放大一些，進(jìn)行讓風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)足工藝水溫時(shí)，快速將風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)進(jìn)入“休眠”或直接讓它退出運(yùn)行。由于冷卻塔水溫的控制不需要特別高的精度要求，做到依據(jù)高原氣候的特點(diǎn)，充分運(yùn)用高原風(fēng)大、氣溫低，按照變頻器節(jié)能20%～60%的效率測(cè)算其經(jīng)濟(jì)性，可以使得節(jié)約目前運(yùn)行的一套循環(huán)水裝置中一臺(tái)90kW的電動(dòng)機(jī)每天停止2h，可以節(jié)省電費(fèi)91980元。同時(shí)，變頻器的軟啟動(dòng)功能使用后減少對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承與風(fēng)機(jī)減速傳動(dòng)軸承的磨損；也減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證其他配電設(shè)備正常運(yùn)行。

2.3.4 提高操作人員的安全

由于采用變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，在冬天的時(shí)候，天氣寒冷冷卻塔四周容易結(jié)冰，對(duì)冷卻塔增加負(fù)重，通常采取人工除冰的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易造成人員的滑倒摔傷；采用觸摸屏控制實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)調(diào)速運(yùn)行，可以使得融冰效果快，對(duì)冷卻塔震動(dòng)小。

3 結(jié)論

觸摸屏控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造方案中電氣控制采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議，很好解決現(xiàn)場(chǎng)中硬接線(xiàn)的方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接器，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，增加了電氣控制安全性能，對(duì)操作人員改善作業(yè)條件，能夠輕松、直觀(guān)的在操作屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止控制；能十分清楚的顯示出電氣的參數(shù)、運(yùn)行的狀態(tài)、具有報(bào)警提示功能。根據(jù)HSE的目標(biāo)要求，從設(shè)備的安全、節(jié)能出發(fā)確實(shí)做到以人為本，讓電氣設(shè)備智能化，高效的開(kāi)展工作。